Керамические стеновые материалы

2. Парообразующие материалы вводят в сырьевую массу для получения легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью. Для этого используют вещества, которые при обжиге диссоциируют с выделением газа, например CO2 (молотые мел, доломит), или выгорают.

3. Выгорающие добавки: древесные опилки, измельченный бурый уголь, отходы углеобогатительных фабрик, золы ТЭС и лигнин не только повышают пористость керамических изделий, но также способствуют равномерному спеканию керамического черепка.
4. Пластифицирующими добавками являются высокопластичные  глины, бентониты, а также поверхностноактивные вещества – сульфитно-дрожжевая бражка и др.
5. Плавни добавляют в глину в тех случаях, когда необходимо понизить температуру ее спекания. К ним относят: полевые шпаты, железную руду, доломит, магнезит, тальк и т.п.

 

 

4 Основные технологические процессы и оборудование

 

 

Все разнообразие керамических материалов производится в принципе по однотипной схеме, включающей в себя следующие переделы: добычу сырьевых материалов и карьерные работы, подготовку сырьевой массы, формование изделий, сушку и обжиг, сортировку и хранение. Однако для получения изделий с различной структурой черепка и различной конфигурации применяют разные методы формования: литье, пластическое формование, полусухое и сухое прессование.  Основные изделия стеновой строительной керамики — кирпич и керамические камни, производят методами  пластического и полусухого формования. Эти методы формования наиболее просты и получили наибольшее распространение. Ниже рассмотрена схема производства керамики с использованием метода пластического и метода полусухого формования на примере производства обычного глиняного кирпича.

 

 

4.1 Добыча глины и карьерные работы

Когда глина испытана и намечено место для организации производства, приступают к ее добыче и заготовке.

Кирпич можно вырабатывать из глины вылежавшейся и из свежей глины, только что взятой из карьера — «свежевки». Лучший кирпич получается из вылежавшейся, промороженной глины. Особенно необходимо вылеживание, если глина плотная, жирная, трудно размокающая. Добытая осенью глина обычно вылеживается и промораживается.

С глиняной залежи снимают растительный слой и весь не пригодный для выработки кирпича грунт. Затем начинают добычу глины уступами, как показано на рисунке 3. Глину нагружают в тачку и отвозят к месту переработки, где укладывают в конус. Высота конуса не должна быть более 1 м, так как иначе глина плохо промерзнет; длина и ширина конуса принимаются в зависимости от количества заготовляемой глины. При добыче глины в карьере ее обычно берут сразу на всю глубину, чтобы перемешать слои, имеющие различные свойства. При заготовке же глины в конусах в карьере ее можно брать не на всю глубину сразу, а на два-три штыка на всю длину врачи: первые два-три штыка надо развалить по земле там, где предполагается устройство конуса, затем на них сверху еще два-три штыка, а самые нижние — наверх конуса. Весною, при выборке глины из конуса на производство, ее следует брать на всю высоту конуса, чтобы она еще раз перемешалась. Тогда получается однородная глина, а из нее хороший кирпич. При послойной загрузке глины в конус каждый слой обильно поливают водой. Кроме того, в конусе делают отверстия ломом, чтобы вода проникала на всю толщину конуса.

Рисунок 3 Разработка ступенчатого карьера.

Желательно на конусах глины, заложенной для промораживания, не допускать большого снежного покрова, чтобы глина могла хорошо промерзнуть.

Площадка для размещения конуса должна быть очищена от дерна, утрамбована и выровнена, чтобы с нее не стекала вода.

Если осенью глину не заготовили, можно подвергнуть ее летованию (выветриванию). Для этого глину также укладывают в гряды высотою около 0,5 м и замачивают, а затем, когда она подсохнет, неоднократно поливают водой. Чем жирнее глина, тем продолжительней должно быть ее вылеживание.

Летование рекомендуется производить в течение 15—30 дней.

Если глина не промораживалась и не подвергалась летованию, ее следует подвергнуть замачиванию. Замачивают глину в невысоких грядах (40—50 см), в кучах или в специальных траншеях, облицованных горбылями. Замочив послойно глину, ее покрывают рогожами, соломенными матами и т. п., чтобы влага из глины не испарялась. Малопластичные глины выдерживают в замоченном состоянии от 0,5 до 2 суток, более жирные — до 3 и 7 суток.

 

4.2 Подготовка сырьевой массы

 

Подготовка сырья в старину велась «естественным» образом: глина, добытая в карьере, в течение 1-2 лет выдерживалась в буртах под открытым небом. Периодическое намокание, замораживание и оттаивание разрушало природную структуру глины, вымывало из нее соли (вспомните белые высолы на современном кирпиче). После этого глину обрабатывали на глинорыхлителях и камнеотделительных валках и доводили до требуемой пластичности добавлением воды.

Рисунок 4  Механизмы для измельчения глины 1 — вальцовая дробилка с гладкими вальцами; 2 — дезинтеграторные вальцы; 3 — бегуны; 4 — дезинтегратор;  5 — ножевая глинорезка.

 

В настоящее время глину увлажняют паром и интенсивно обрабатывают на бегунах, дезинтеграторах и валках (это в какой-то мере заменяет вылеживание) до получения пластичной удобноформуемой массы без крупных каменистых включений (кусочки СаСО3 должны быть удалены или измельчены в порошок).

Качество массы и будущих изделий зависит от тщательности проработки сырьевых компонентов. Подготовка сырьевых материалов состоит из разрушения природной структуры глины, удаления или измельчения (рисинуок 4) крупных включений, смешения глины с добавками и увлажнения до получения  удобоформуемой  глиняной  массы.

 

 

4.3 Формование изделий

 

 

Формование изделий ведется двумя способами: пластическим и полусухим.

Пластическое формование

Производство кирпича методом пластического формования ведется на хорошо проработанной пластичной массе с влажностью 15-25 % из легкоплавких глин средней пластичности, содержащих 40-50 % песка.

Формование кирпича-сырца производят на ленточном прессе (рисунок 5). Увлажненная и тщательно размятая глиняная масса продавливается винтовым конвейером 8 через решетку 7 в вакуумную камеру 6, где жгуты глины разбиваются вращающимся ножом 5 для удаления воздуха из глиняной массы. Далее масса винтовым валом 1 подается в конусную головку 2 пресса, где окончательно уплотняется и продавливается сквозь формующую часть пресса — мундштук 3. Мундштук придает глиняной ленте, выходящей из пресса, определенную высоту и ширину. В мундштуке могут быть установлены керны, образующие каналы в выдавливаемой ленте; так получают пустотелый кирпич и трубы.

Глиняная лента нарезается автоматическим устройством на кирпич-сырец. Размер таких кирпичей несколько больше требуемого, так как в процессе последующей обработки глина дважды (при сушке и при обжиге) претерпевает усадку, достигающую 10-15 %.

Рисунок 5 Ленточный вакуумный пресс: 1 — винтовой вал; 2 — конусная головка; 3 — мундштук; 4 — глиняный брус; 5 — нож; 6— вакуумная камера; 7—решетка; 8 — винтовой конвейер.

 

Однако известный способ не лишен недостатков, а именно: 
возрастает сопротивление движению керамической массы в полости мундштука в процессе формования кирпича, что снижает производительность пресса и увеличивает нагрузку на его приводной механизм, т.е. увеличиваются энергозатраты на операцию формования керамического бруса.

Другим существенным недостатком является снижение конструкционной прочности изделия из-за наличия в кирпиче искусственно созданных крупных по размерам большого количества пустот, с суммарным объемом в 13-30% и даже выше от объема изделий, что во многих случаях не позволяет использовать такой кирпич в качестве стенового материала при строительстве высотных зданий и увеличивает процент боя (поломок), особенно на транспортных операциях.

 

Основные производственные процессы и операции при изготовлении стеновых керамических материалов способом  пластического формования

Таблица 1

Основные процессы	Основные операции	Применяемое оборудование и установки
1	2	3
Разработка карьера	Вскрышные работы	Бульдозер Скрепер Многоковшовые экскаваторы Гидромониторы
	Добыча глины	Многоковшовые экскаваторы Одноковшовые экскаваторы Канатные скреперы
	Транспорт глины	Автосамосвалы Узкоколейные вагонетки
	Складирование  глины	Открытые штабеля Штабеля с подвижным или инвентарным покрытием Капитальные глинохранилища
Обработка глины	Выделение       каменистых включений	Дезинтеграторные вальцы Винтовые вальцы
	Грубое дробление	Дезинтеграторные вальцы Гладкие вальцы грубого помола
	Предварительное    увлажнение	Одновальные глиномялки Двухвальные глиномялки
	Тонкое измельчение	Бегуны мокрого помола Дырчатые вальцы Гладкие вальцы тонкого помола
	Окончательное увлажнение	Одновальные глиномялки Двухвальные глиномялки
Формование изделий		Ленточные шнековые вакуумные прессы Ленточные шнековые безвакуумные прессы
Сушка изделий		Сушильные сараи Камерные сушилки Туннельные сушилки
Обжиг изделий		Кольцевые печи Туннельные печи

 

Рисунок 6 Технологическая схема производства керамического кирпича пластическим способом.

 

Полусухое формование

Полусухой способ производства кирпича отличается от пластического тем, что прессование кирпича производят из сильно отощенных жестких масс (применяют малопластичную глину) влажностью 8-10 % на гидравлических или механических прессах высокого давления (10-30 МПа). Такой сырец, как правило, не требует сушки - его сразу после формования можно обжигать. Так как кирпичи полусухого прессования (рисунок 7) получаются более плотными, в них делают несквозные пустоты. Изделия, спрессованные из порошков, обладают в сырце большой прочностью и точностью размеров, характеризуются низкой   усадкой   при   обжиге,   однако   имеют   пониженную морозостойкость.

Рисунок 7 Технологическая схема производства кирпича методом полусухого формования: 1 — ящичный подаватель; 2 — ленточный транспортер; 3—дезинтеграторные вальцы; 4 — циклон; 5 — сушильный барабан; 6 — бункер; 7 — тарельчатый питатель; 8 — дезинтегратор;    9 — элеваторы;    10—грохот;    11 — глиносмеситель    с    пароувлажнителем; 12 — питатель;  13 — пресс

Данный метод предусматривает подсушку глины в сушильном барабане в течение 10-15 минут, после чего глина измельчается стержневым смесителем в порошок с фракцией 0,5-5 мм и формуется в кирпич колено-рычажными прессами. Поскольку формование происходит при влажности порошка 8-10%, то отформованный кирпич не требует сушки и подается сразу после формовки в печь.

Следовательно:

• не требуются затраты на энергоносители для сушки;
• не требуется ввод в глину добавок для улучшения сушильных свойств кирпича;
• даже при наличии в глине солей, они не выступают на поверхности кирпича;
• технологическое оборудование более простое и потребляет значительно меньше электроэнергии.

 

 

4.4 Сушка изделий 

 

 

Процесс сушки сопутствует производству всех видов керамических изделий. При этом сушат не только сформованные изделия, но также глину, фильтр-прессные коржи, заготовки. При изготовлении многих керамических изделий сушка оказывает решающее влияние на качество готовой продукции. Так, трещины, появляющиеся при сушке многих керамических изделий, обусловливают их брак, а при производстве кирпича существенно снижают его качество.

Процесс сушки оказывает заметное влияние на экономику производства, поскольку его осуществление требует значительных расходов топлива и электроэнергии, а денежные затраты на этот процесс составляют в ряде случаев 10—12% от общей себестоимости готовых изделий. Значительны также капиталовложения на сооружение сушильных установок, размеры которых растут в прямой зависимости от длительности процесса сушки. Во многих случаях размеры сушильных установок и интенсивность процесса сушки лимитируют общий выпуск продукции предприятием, являясь так называемым «узким местом», и от возможности  увеличения  производительности  сушильного  цеха  зависит рост общей производственной мощности завода.

Поэтому во всех случаях нужно стремиться к такой организации процесса сушки, в котором сочеталось бы получение продукции или полуфабриката высокого качества, минимальная длительность процесса и возможно малые расходы тепла и электроэнергии. Достижение этих целей составляет задачу рациональной организации процесса сушки и требует знания основ ее технологии. В технологии сушки рассматриваются закономерности протекания физико-химических, структурно-механических, тепло - и влагообменных и других явлений, сопутствующих процессу сушки.

Общие сведения о процессе сушки. Сырец содержит много воды. Количество ее зависит от свойств глины и способа формовки.

Сырец, сформованный на ленточном прессе — 20—24% воды. Необходимо без повреждений сырца постепенно удалить эту воду до остаточной влажности 8—9%.

При сушке сырец, теряя влагу, уменьшается в размерах. Если усадка неравномерна, то есть одни части сырца высыхают быстрее, чем другие, то в нем возникают напряжения и могут образоваться трещины, поэтому сырец надо сушить постепенно и равномерно, соблюдая определенный порядок, называемый режимом сушки.

Режим сушки устанавливается опытным путем и зависит от сушильных свойств глины, способа формовки, типа сушильных устройств, погоды и других местных особенностей.

Общим для всех режимов является более осторожная и замедленная сушка в начале и более быстрая в конце.

Одни глины легко переносят быструю сушку, не давая трещин, другие — склонны к образованию трещин и требуют медленной, осторожной сушки. Поэтому продолжительность сушки колеблется в широких пределах — от 6 до 25 суток.

Чем выше температура воздуха, чем он суше, чем быстрее он движется, тем быстрее сохнет сырец. Если же на дворе прохладно, туман, дождь, нет ветра — сушка протекает крайне медленно. Поэтому в одних случаях необходимо принимать меры к замедлению сушки, а в других, наоборот, к возможному ускорению ее. Сушку кирпича ведут как в камерных, так и в туннельных сушилках (рис.8). В качестве теплоносителя и одновременно влагопоглотителя используют нагретый воздух или дымовые газы.

Рисунок 8 Туннельное сушило

4.5 Обжиг

 

В технологии керамического кирпича обжиг является завершающей и наиболее ответственной стадией его изготовления. В процессе обжига формируются наиболее важные свойства керамического материала, определяющие его техническую ценность: прочность, плотность, водостойкость, морозостойкость и др. Пороки обжига являются необратимыми дефектами в изделии. Они не поддаются последующему устранению и потому в большинстве случаев дефекты обжига определяют качество готовой продукции — сортность и количество брака. Велико также влияние результатов обжига на экономику производства. Об этом свидетельствуют довольно значительные удельные весовые расходы топлива, которые в пересчете на 1 т готовой продукции составляют в среднем для стеновой керамики 45 кг. Суммарные затраты на обжиг достигают 35— 40%, а потери от брака — почти  10% себестоимости товарной продукции.